JP2011023473A - Group iii nitride semiconductor laser diode - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、III族窒化物半導体レーザダイオードに関するものである。 The present invention relates to a group III nitride semiconductor laser diode.
特許文献1には、発振波長500[nm]以上のファブリペロー型の半導体レーザダイオードが記載されている。この半導体レーザダイオードでは、非極性面(m面)を主面とするGaN基板上に、n型半導体層、発光層及びp型半導体層が積層されている。n型半導体層は、n型GaNクラッド層及びn型InGaN光ガイド層を含む。p型半導体層は、p型GaNクラッド層及びp型InGaN光ガイド層を含む。
特許文献2には、発振波長425[nm]〜450[nm]のレーザ素子が記載されている。このレーザ素子では、c面を主面とするGaN基板上に、n型GaNクラッド層、活性層およびp型クラッド層が積層されており、n型クラッド層と活性層との間、及びp型クラッド層と活性層との間にGaN光ガイド層が設けられ、更に、GaN光ガイド層と活性層との間に、Inを含む窒化物半導体層が設けられている。
III族窒化物半導体を用いたレーザダイオードは、例えば発振波長500[nm]前後といった長波長のレーザダイオードを実現するための候補である。そして、このような長波長のレーザダイオードでは、活性層としてInを含むIII族窒化物半導体が用いられ、また、活性層付近に光を安定的に閉じ込めるために、Inを含むIII族窒化物半導体からなる光ガイド層が活性層の上下に設けられる。 A laser diode using a group III nitride semiconductor is a candidate for realizing a laser diode having a long wavelength such as an oscillation wavelength of about 500 [nm]. In such a long wavelength laser diode, a group III nitride semiconductor containing In is used as an active layer, and a group III nitride semiconductor containing In is used to stably confine light in the vicinity of the active layer. A light guide layer made of is provided above and below the active layer.
500[nm]程度の長い波長で安定な発振モードを得るためには、例えば厚さ100[nm]を超える厚い光ガイド層が必要となる。しかし、Inを含むIII族窒化物半導体からなる光ガイド層を例えばGaN基板上に厚く成長させると、臨界膜厚に近づくので活性層の結晶品質の低下を招くこととなる。特に、基板の結晶成長面が半極性面である場合、c面が滑り面として作用し、活性層の結晶品質の低下が顕著となる。また、光閉じ込め係数(Γwell)を大きくするためには光ガイド層のIn組成を高くする必要があり、これによって活性層の結晶品質が更に低下する。 In order to obtain a stable oscillation mode at a long wavelength of about 500 [nm], for example, a thick light guide layer exceeding a thickness of 100 [nm] is required. However, when a light guide layer made of a group III nitride semiconductor containing In is grown thickly on, for example, a GaN substrate, the crystal thickness of the active layer is lowered because it approaches the critical film thickness. In particular, when the crystal growth surface of the substrate is a semipolar surface, the c-plane acts as a sliding surface, and the crystal quality of the active layer is significantly reduced. Further, in order to increase the optical confinement factor (Γwell), it is necessary to increase the In composition of the light guide layer, thereby further reducing the crystal quality of the active layer.
なお、特許文献2に記載されたレーザ素子では、c面を主面とするGaN基板上にInGaN活性層等を成長させているので、500[nm]といった長波長の光を発生し得るIn組成にすると、格子定数差に起因するピエゾ電界によって発光効率が低下し、長波長の実用的なレーザダイオードを得ることが難しい。
In the laser element described in
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、半極性の主面上に形成される長波長のIII族窒化物半導体レーザダイオードおいて、活性層の結晶品質の低下を抑制しつつ、安定した発振モードを得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and suppresses deterioration of the crystal quality of the active layer in a long-wavelength group III nitride semiconductor laser diode formed on a semipolar main surface. However, an object is to obtain a stable oscillation mode.
上記した課題を解決するために、本発明によるIII族窒化物半導体レーザダイオードは、480[nm]以上550[nm]以下の波長のレーザ光を出力するIII族窒化物半導体レーザダイオードであって、半極性の主面を有するIII族窒化物基板と、III族窒化物基板上に設けられ、Alを含むIII族窒化物からなる第1導電型の第1クラッド層と、第1クラッド層上に設けられた活性層と、活性層上に設けられ、Alを含むIII族窒化物からなる第2導電型の第2クラッド層と、第1クラッド層と活性層との間、及び第2クラッド層と活性層との間のうち少なくとも一方に設けられた光ガイド層とを備え、光ガイド層が、Inx1Ga1−x1N(0≦x1<1)からなる第1の層と、第1の層と活性層との間に設けられ、Inx2Ga1−x2N(x1<x2<1)からなる第2の層とを含み、第1及び第2の層の合計厚さが0.1[μm]より大きいことを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a group III nitride semiconductor laser diode according to the present invention is a group III nitride semiconductor laser diode that outputs laser light having a wavelength of 480 [nm] or more and 550 [nm] or less, A group III nitride substrate having a semipolar main surface, a first conductivity type first cladding layer made of a group III nitride containing Al and provided on the group III nitride substrate, and a first cladding layer; An active layer provided, a second cladding layer of a second conductivity type provided on the active layer and made of a group III nitride containing Al, between the first cladding layer and the active layer, and the second cladding layer A light guide layer provided between at least one of the first layer and the active layer, wherein the light guide layer includes a first layer made of In x1 Ga 1-x1 N (0 ≦ x1 <1), In x2 Ga 1-x2 provided between the active layer and the active layer N (x1 <x2 <1), and the total thickness of the first and second layers is greater than 0.1 [μm].
発振波長が480[nm]以上550[nm]以下という長波長のIII族窒化物半導体レーザダイオードでは、活性層付近に光を強く閉じ込めて安定した発振モードを得る為に、屈折率が比較的高いInGaNを光ガイド層に用いることが有効である。しかし、InGaNを含む光ガイド層を厚くすると、上述したように活性層の結晶品質の低下が顕著になるという問題がある。 In a group III nitride semiconductor laser diode having an oscillation wavelength of 480 [nm] or more and 550 [nm] or less, the refractive index is relatively high in order to obtain a stable oscillation mode by strongly confining light near the active layer. It is effective to use InGaN for the light guide layer. However, when the light guide layer containing InGaN is thickened, there is a problem that the crystal quality of the active layer is significantly deteriorated as described above.
そこで、上記したIII族窒化物半導体レーザダイオードにおいては、光ガイド層が第1及び第2の層を含んでおり、活性層側に位置する第2の層のIn組成x2は、第1の層のIn組成x1より高くなっている。このように、In組成が異なる2つの層を光ガイド層内に設けることによって、活性層付近ではIn組成が高い第2の層によって光の閉じ込め作用を強め、且つ、In組成が低い第1の層によって活性層の結晶品質の低下を抑制しつつ光ガイド層の厚みを増すことができる。したがって、厚さが0.1[μm]より大きい光ガイド層によって安定した発振モードを得ることができる。また、半極性の主面を有するIII族窒化物基板を用いる場合には、この効果が特に顕著となる。 Therefore, in the group III nitride semiconductor laser diode described above, the light guide layer includes the first and second layers, and the In composition x2 of the second layer located on the active layer side is the first layer. It is higher than the In composition x1. Thus, by providing two layers having different In compositions in the light guide layer, the second layer having a high In composition in the vicinity of the active layer enhances the light confinement action, and the first In composition has a low In composition. The layer can increase the thickness of the light guide layer while suppressing the deterioration of the crystal quality of the active layer. Therefore, a stable oscillation mode can be obtained by the light guide layer having a thickness larger than 0.1 [μm]. In addition, this effect is particularly remarkable when a group III nitride substrate having a semipolar main surface is used.
また、III族窒化物半導体レーザダイオードは、光ガイド層が少なくとも第2クラッド層と活性層との間に設けられており、第2クラッド層と活性層との間に設けられた光ガイド層を層厚方向に二分割するように設けられた電子ブロック層を更に備えることを特徴としてもよい。そして、この場合、電子ブロック層と活性層との間隔は50[nm]以上であることが好ましい。 In the group III nitride semiconductor laser diode, the light guide layer is provided at least between the second cladding layer and the active layer, and the light guide layer provided between the second cladding layer and the active layer is provided. An electronic block layer provided so as to be divided in two in the layer thickness direction may be further provided. In this case, the distance between the electron blocking layer and the active layer is preferably 50 [nm] or more.
上記したIII族窒化物半導体レーザダイオードにおいて、III族窒化物基板の主面は半極性面である。そして、半極性面上(特にピエゾ電界が負である半極性面上)に形成されたレーザダイオード構造では、電子がp型半導体側に漏れにくい。したがって、電子ブロック層と活性層との間隔を、c面上や非極性面(m面)上の場合では困難な50[nm]以上と広くすることが可能である。これにより、電子ブロック層が活性層に歪みを与えることに起因する発光特性の低下を防ぐことができる。また、電子ブロック層と活性層との間隔を50[nm]以上と広くすることにより、n型半導体側への電界分布のシフトを防ぎ、発振閾値を効果的に低減できる。 In the group III nitride semiconductor laser diode described above, the main surface of the group III nitride substrate is a semipolar surface. In the laser diode structure formed on the semipolar plane (particularly on the semipolar plane where the piezoelectric field is negative), electrons hardly leak to the p-type semiconductor side. Therefore, the distance between the electron blocking layer and the active layer can be increased to 50 [nm] or more, which is difficult on the c-plane or nonpolar plane (m-plane). As a result, it is possible to prevent the light emission characteristics from being deteriorated due to the electron blocking layer distorting the active layer. Further, by widening the distance between the electron blocking layer and the active layer to 50 [nm] or more, the shift of the electric field distribution toward the n-type semiconductor side can be prevented, and the oscillation threshold can be effectively reduced.
また、III族窒化物半導体レーザダイオードは、第1及び第2の層の合計厚さが0.5[μm]より小さいことを特徴としてもよい。これにより、光閉じ込め係数(Γwell)を高め、レーザ発振を好適に実現できる。 The group III nitride semiconductor laser diode may be characterized in that the total thickness of the first and second layers is smaller than 0.5 [μm]. As a result, the optical confinement factor (Γwell) is increased, and laser oscillation can be suitably realized.
また、III族窒化物半導体レーザダイオードは、第2の層のIn組成x2が0.01≦x2≦0.1を満たすことを特徴としてもよい。In組成x2が0.01以上であることによって十分な屈折率を確保し、光閉じ込め係数(Γwell)を高めレーザ発振を好適に実現できる。また、In組成が0.1以下であることによって活性層の結晶品質を高く維持し、発光効率を向上させ得る。 The group III nitride semiconductor laser diode may be characterized in that the In composition x2 of the second layer satisfies 0.01 ≦ x2 ≦ 0.1. When the In composition x2 is 0.01 or more, a sufficient refractive index is ensured, the optical confinement coefficient (Γwell) is increased, and laser oscillation can be suitably realized. Further, when the In composition is 0.1 or less, the crystal quality of the active layer can be maintained high, and the light emission efficiency can be improved.
また、III族窒化物半導体レーザダイオードは、第2の層の厚さd2[nm]が
の関係を満たすことを特徴としてもよい。第2の層の厚さd2がこのような関係を満たすことによって、活性層の結晶品質の低下を効果的に抑制し、十分な発光効率を得ることができる。
Further, in the group III nitride semiconductor laser diode, the thickness d2 [nm] of the second layer is
It may be characterized by satisfying this relationship. When the thickness d2 of the second layer satisfies such a relationship, a decrease in crystal quality of the active layer can be effectively suppressed and sufficient luminous efficiency can be obtained.
また、III族窒化物半導体レーザダイオードは、III族窒化物基板がInSAlTGa1−S−TN(0≦S≦1,0≦T≦1,0≦S+T≦1)からなり、III族窒化物基板の主面が、該InSAlTGa1−S−TN結晶の{0001}面または{000−1}面を基準として10度以上90度未満の範囲の角度で傾斜していることを特徴としてもよい。この場合、III族窒化物基板の主面が、InSAlTGa1−S−TN結晶の{0001}面または{000−1}面を基準として63度以上80度未満の範囲の角度で傾斜していると尚好ましい。 Furthermore, III-nitride semiconductor laser diode, III-nitride substrate is made of In S Al T Ga 1-S -T N (0 ≦ S ≦ 1,0 ≦ T ≦ 1,0 ≦ S + T ≦ 1), the main surface of the group III nitride substrate is inclined at an angle of the in S Al T Ga 1-S -T N {0001} plane or the {000-1} range of less than 10 degrees than 90 degrees the surface as a reference crystal It is good also as a feature. The angle of the case, the principal plane of the Group III nitride substrate, In S Al T Ga 1- S-T N {0001} plane or the {000-1} range of less than 80 degrees 63 degrees or more relative to the surface of the crystal It is still more preferable that it is inclined at.
また、III族窒化物半導体レーザダイオードは、III族窒化物基板がGaNからなることを特徴としてもよい。これにより、良好な結晶品質のエピタキシャル成長が可能となる。 The group III nitride semiconductor laser diode may be characterized in that the group III nitride substrate is made of GaN. This enables epitaxial growth with good crystal quality.
また、III族窒化物半導体レーザダイオードは、III族窒化物基板の主面がInSAlTGa1−S−TN結晶のm軸方向に傾斜していることを特徴としてもよい。これにより、光ガイド層及び活性層を成長させる際のInの採り込み効率が高まり、その結果、良好な発光特性を得ることができる。 Further, the group III nitride semiconductor laser diode may be characterized in that the principal plane of the Group III nitride substrate is inclined in the m-axis direction of In S Al T Ga 1-S -T N crystals. Thereby, the incorporation efficiency of In when growing the light guide layer and the active layer is increased, and as a result, good light emission characteristics can be obtained.
本発明によれば、半極性の主面上に形成される長波長のIII族窒化物半導体レーザダイオードおいて、活性層の結晶品質の低下を抑制しつつ、安定した発振モードを得ることができる。 According to the present invention, in a long-wavelength group III nitride semiconductor laser diode formed on a semipolar main surface, a stable oscillation mode can be obtained while suppressing a decrease in crystal quality of the active layer. .
以下、添付図面を参照しながら本発明によるIII族窒化物半導体レーザダイオードの実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Embodiments of a group III nitride semiconductor laser diode according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
(第1の実施の形態)
図1(a)は、本発明の第1実施形態に係るIII族窒化物半導体レーザダイオードの構造を概略的に示す図面である。図1(a)を参照しながら、480[nm]以上550[nm]以下の波長のレーザ光を出力するゲインガイド型のIII族窒化物半導体レーザダイオード11を説明する。
(First embodiment)
FIG. 1A is a drawing schematically showing the structure of a group III nitride semiconductor laser diode according to a first embodiment of the present invention. A gain guide type III-nitride
III族窒化物半導体レーザダイオード11は、III族窒化物基板13と、III族窒化物基板13上に設けられたn型クラッド層15と、n型クラッド層15上に設けられた活性層17と、活性層17上に設けられたp型クラッド層19とを備える。III族窒化物基板13は六方晶系半導体InSAlTGa1−S−TN(0≦S≦1、0≦T≦1、0≦S+T≦1)からなり、例えばGaN等からなることができる。III族窒化物基板13は、半極性の主面13a及び裏面13bを有する。III族窒化物結晶のc軸Cxは主面13aに対して傾斜しており、より好ましくはIII族窒化物結晶のm軸方向に傾斜している。n型クラッド層15はAlを含むn型(第1導電型)のIII族窒化物からなり、例えばAlGaN、InAlGaN等からなることができる。n型クラッド層15は、本実施形態における第1クラッド層である。p型クラッド層19はAlを含むp型(第2導電型)のIII族窒化物からなり、例えばAlGaN、InAlGaN等からなることができる。p型クラッド層19は、本実施形態における第2クラッド層である。
The group III nitride
活性層17は、単一層からなることができ、或いは量子井戸構造を有することができる。必要な場合には、量子井戸構造は、交互に配列された井戸層及び障壁層を含むことができる。図1(b)は、このような量子井戸構造を有する活性層17の構成の一部を拡大して示す図である。活性層17は、井戸層17a、中間層17b、及び障壁層17cを含む。井戸層17aはInGaN等からなることができ、障壁層17cは井戸層17aよりバンドギャップエネルギーの大きいInGaN又はGaN等からなることができる。また、中間層17bは、井戸層17aよりバンドギャップエネルギーの大きいInGaN又はGaN等からなることができる。井戸層17aと障壁層17cとの間に中間層17bが介在することによって、III族窒化物半導体レーザダイオード11の闘値電圧または駆動電圧を下げることができる。
The
一実施例では、井戸層17aの厚さは例えば3[nm]であり、中間層17bの厚さは例えば1.1[nm]であり、障壁層17cの厚さは例えば13.9[nm]であり、井戸層17aの数は例えば3つであることができる。活性層17の発光波長は、井戸層17aのバンドギャップやIn組成、その厚さ等によって制御される。活性層17は波長480[nm]以上550[nm]以下の範囲の光を発生するように設けられることができる。
In one embodiment, the thickness of the
また、III族窒化物半導体レーザダイオード11は、n型クラッド層15と活性層17との間に、第1光ガイド層21を更に備える。また、III族窒化物半導体レーザダイオード11は、活性層17とp型クラッド層19との間に、第2光ガイド層23を更に備える。第1光ガイド層21及び第2光ガイド層23は、III族窒化物基板13に光を逃がすことなく活性層17付近に光を閉じ込め、しきい値電流を低減する為に設けられる。
The group III nitride
図1を参照すると、第1光ガイド層21、活性層17及び第2光ガイド層23はIII族窒化物基板13の主面13a上において法線軸Nxに沿って配列されている。III族窒化物基板13の主面13aの傾斜角は、法線軸Nxを示す法線ベクトルNVとc軸方向を示すc軸ベクトルVCとの成す角度ALPHAによって規定される。この角度ALPHAは、III族窒化物のc軸に直交する基準平面Rx(すなわち{0001}面又は{000−1}面)に対して10度以上90度未満の範囲にあることができ、或いは90度より大きく170度以下の範囲にあることができる。III族窒化物基板13は例えばGaNであることができ、この角度範囲によればGaNの半極性の性質を提供できる。さらに、傾斜角ALPHAは63度以上80度未満の範囲にあることが好ましく、或いは100度より大きく117度以下の範囲にあることが好ましい。この角度範囲によれば、500[nm]といった長波長の光を発生するための活性層17に好適なIn組成のInGaN層を提供できる。
Referring to FIG. 1, the first
第1光ガイド層21は、Inx1Ga1−x1N(0≦x1<1)からなる第1の層31と、Inx2Ga1−x2N(x1<x2<1)からなる第2の層33とを含むことができる。第1の層31はn型クラッド層15上に設けられ、第2の層33は第1の層31と活性層17との間に設けられる。なお、第2の層33のIn組成x2は、第1の層31のIn組成x1より大きく、活性層17内のInGaN井戸層のIn組成より小さい。一実施例では、第1の層31はn型GaNからなり、第2の層33はアンドープInGaNからなることができる。
The first
第2光ガイド層23は、Inx1Ga1−x1N(0≦x1<1)からなる第1の層35と、Inx2Ga1−x2N(x1<x2<1)からなる第2の層37とを含むことができる。第1の層35は活性層17上に設けられ、第2の層37は活性層17と第1の層35との間に設けられる。なお、第2の層37のIn組成x2は、第1の層35のIn組成x1より大きく、活性層17内のInGaN井戸層のIn組成より小さい。一実施例では、第1の層35はp型GaNからなり、第2の層37はアンドープ又はp型のInGaNからなる。
The second
第1の層31と第2の層33との合計厚さ、並びに第1の層35と第2の層37との合計厚さは、安定した発振モードを得る為に0.1[μm]より大きく設定され、また、光閉じ込め係数(Γwell)を高めてレーザ発振を好適に実現する為に、0.5[μm]より小さく設定される。
The total thickness of the
また、第2の層33,37のIn組成x2は、0.01≦x2≦0.1を満たすことが好ましい。In組成x2が0.01以上であることによって十分な屈折率を確保し、光閉じ込め係数(Γwell)を高めレーザ発振を好適に実現できる。また、In組成が0.1以下であることによって活性層17の結晶品質を高く維持し、発光効率を向上させ得る。
The In composition x2 of the
III族窒化物半導体レーザダイオード11は、電子ブロック層27を更に備える。電子ブロック層27は、第2光ガイド層23を層厚方向に二分割するように設けられており、本実施形態では、第2の層37を層厚方向に二分割するように設けられている。具体的には、第2の層37は下層部分37a及び上層部分37bに分割され、下層部分37aは活性層17上に設けられ、上層部分37bは下層部分37aと第1の層35との間に設けられている。電子ブロック層27は、下層部分37aと上層部分37bとの間に設けられている。一実施例では、下層部分37aはアンドープInGaNからなり、上層部分37bはp型InGaNからなることができる。電子ブロック層27は例えばAlzGa1−zN(0<z<1)からなることができ、このAlzGa1−zNのAl組成zはp型クラッド層19のAl組成より大きい。また、電子ブロック層27と活性層17との間隔(本実施形態では下層部分37aの厚さ)は、50[nm]以上であることが好ましい。
The group III nitride
III族窒化物半導体レーザダイオード11では、第1の層31,35及び第2の層37の上層部分37bはn型又はp型であるのに対し、第2の層33と、第2の層37の下層部分37aとはアンドープである。このように、活性層17に隣接する第2の層33及び下層部分37aがアンドープなので、ドーパントによる光吸収を避けることができる。しかし、低動作電圧駆動を目的に低抵抗とするために、これらの層33,37aにドーピングしても良い。第1の層31,35及び上層部分37bにはそれぞれのドーパントが添加されているので、これらの層31,35及び37bの抵抗を下げることができる。
In the group III nitride
III族窒化物半導体レーザダイオード11は、p型クラッド層19上に設けられたp型コンタクト層41を更に備える。p型コンタクト層41は、例えばGaN、AlGaN等からなることができる。アノード電極45aは、絶縁膜47の開口を介してp型コンタクト層41に接触している。III族窒化物基板13の裏面13bには、カソード電極45bが接触している。
Group III nitride
好適な実施例を示すと、n型クラッド層15の厚さは2000[nm]であり、Al組成は0.04である。第1光ガイド層21の第1の層31の厚さは100[nm]であり、In組成x1は0(すなわちGaN)である。第2の層33の厚さは115[nm]であり、In組成x2は0.02である。第2光ガイド層23の第1の層35の厚さは100[nm]であり、In組成x1は0(すなわちGaN)である。第2光ガイド層23の第2の層37の下層部分37a及び上層部分37bの厚さはそれぞれ65[nm]、50[nm]であり、In組成x2は共に0.02である。電子ブロック層27の厚さは20[nm]であり、Al組成zは0.18である。p型クラッド層19の厚さは400[nm]であり、Al組成は0.06である。p型コンタクト層41の厚さは50[nm]である。アノード電極45aはNi/Auからなり、カソード電極45bはTi/Al/Auからなる。この実施例の場合、発振波長は497[nm]であり、しきい値電流は1.4[A]である。
In a preferred embodiment, the n-
また、好適な他の実施例を示すと、n型クラッド層15、電子ブロック層27、p型クラッド層19、及びp型コンタクト層41の厚さ及び組成は上記と同じである。そして、第1光ガイド層21の第1の層31、及び第2光ガイド層23の第1の層35の厚さは共に250[nm]であり、In組成x1は上記と同一である。第1光ガイド層21の第2の層33、及び第2光ガイド層23の第2の層37の厚さは上記と同一であり、これらのIn組成x2は0.03である。この実施例の場合、発振波長は520[nm]であり、しきい値電流は4[A]である。
In another preferred embodiment, the thickness and composition of the n-
以上の構成を備えるIII族窒化物半導体レーザダイオード11は、例えば次のような方法で製造される。まず、III族窒化物基板13となるウェハを準備する。このウェハの主面は半極性面を有する。次に、有機金属気相成長法を用いて、n型クラッド層15となるn型Al0.04GaN層、第1光ガイド層21の第1の層31となるn型GaN層、第2の層33となるアンドープIn0.02GaN層、活性層17となるInGaN多重量子井戸層、第2光ガイド層23の第2の層37の下層部分37aとなるアンドープIn0.02GaN層、電子ブロック層27となるp型Al0.18GaN層、第2光ガイド層23の第2の層37の上層部分37bとなるp型In0.02GaN層、第2光ガイド層23の第1の層35となるp型GaN層、p型クラッド層19となるp型Al0.06GaN層、及びコンタクト層41となるp+型GaN層を、ウェハ上に順次成長させる。
The group III nitride
なお、これらの半導体層の成長のための母体材料の供給ガスとして、トリメチルガリウム(TMGa)、トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリメチルインジウム(TMIn)、及びアンモニア(NH3)を用いることができる。また、n型及びp型のドーパントとして、シラン及びビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いることができる。図2は、一実施例における各半導体層の成長温度[℃]、成長速度[Å/分]、TMGaの流量[μmol/分]、TMInの流量[μmol/分]、TMAlの流量[μmol/分]、及びNH3の流量[slm(標準リットル/分)]を示す図表である。 Note that trimethylgallium (TMGa), trimethylaluminum (TMAl), trimethylindium (TMIn), and ammonia (NH 3 ) can be used as a base material supply gas for the growth of these semiconductor layers. Silane and biscyclopentadienyl magnesium can be used as n-type and p-type dopants. FIG. 2 shows the growth temperature [° C.], the growth rate [Å / min], the flow rate of TMGa [μmol / min], the flow rate of TMIn [μmol / min], the flow rate of TMAl [μmol / Minute] and NH 3 flow rate [slm (standard liters / minute)].
本実施形態に係るIII族窒化物半導体レーザダイオード11の作用及び効果について説明する。発振波長が480[nm]以上550[nm]以下という長波長のIII族窒化物半導体レーザダイオードでは、活性層付近に光を強く閉じ込めて安定した発振モードを得る為に、屈折率が比較的高いInGaNを光ガイド層に用いることが有効である。しかし、InGaNを含む光ガイド層を厚くすると、[発明が解決しようとする課題]欄で述べたように、活性層の結晶品質の低下が顕著になるという問題がある。
The operation and effect of the group III nitride
そこで、本実施形態のIII族窒化物半導体レーザダイオード11においては、第1光ガイド層21が第1の層31及び第2の層33を含んでおり、第2光ガイド層23が第1の層35及び第2の層37を含んでいる。そして、活性層17側に位置する第2の層33,37のIn組成x2は、第1の層31,35のIn組成x1より高くなっている。このように、In組成が異なる2つの層を第1光ガイド層21及び第2光ガイド層23内に設けることによって、活性層17付近ではIn組成が高い第2の層33,37によって光の閉じ込め作用を強めつつ、In組成が低い第1の層31,35によって活性層17の結晶品質の低下を抑制しつつ光ガイド層21,23の厚みを増すことができる。したがって、厚さが0.1[μm]より大きい光ガイド層21,23によって安定した発振モードを得ることができる。また、半極性の主面を有するIII族窒化物基板13を用いる場合には、この効果が特に顕著となる。
Therefore, in the group III nitride
なお、本実施形態ではn型クラッド層15と活性層17との間に第1光ガイド層21が設けられ、且つ活性層17とp型クラッド層19との間に第2光ガイド層23が設けられているが、n型クラッド層15と活性層17との間及び活性層17とp型クラッド層19との間のうちいずれか一方にのみ光ガイド層が設けられた場合であっても、上記効果を奏することができる。
In the present embodiment, the first
ここで、光ガイド層21,23の第2の層33,37のIn組成x2及び厚さを変化させて良好なレーザ発振が得られるか否か(発光効率が十分か否か)を実験により調べた結果について説明する。図3は、その結果を示すグラフであり、縦軸は第2の層33,37の厚さ(第2の層37の場合、下層部分37a及び上層部分37bの厚さの和)を示しており、横軸は第2の層33,37のIn組成x2を示している。また、図中の○印は良好なレーザ発振が得られたことを示しており、×印は良好なレーザ発振が得られなかったことを示している。なお、本実験において、第1の層31,35の厚さは100[nm]である。
Here, whether or not good laser oscillation can be obtained by changing the In composition x2 and the thickness of the
図3に示すように、第2の層33,37のIn組成x2が0.04の場合には、厚さ65[nm]とした場合に良好なレーザ発振が得られたが、厚さ115[nm]とした場合には、活性層17の結晶品質が損なわれて良好なレーザ発振が得られなかった。また、In組成x2が0.03の場合には、厚さ115[nm]とした場合でも良好なレーザ発振が得られたが、厚さ165[nm]とした場合には良好なレーザ発振が得られなかった。また、In組成x2が0.02の場合には、厚さ165[nm]とした場合でも良好なレーザ発振が得られたが、厚さ215[nm]とした場合には良好なレーザ発振が得られなかった。この結果から、第2の層33,37の厚さd2[nm]が
の関係(図3における直線A)を満たすことによって、また、更に好ましくは
の関係を満たすことによって、活性層17の結晶品質の低下を効果的に抑制し、十分な発光効率が得られることが示された。
As shown in FIG. 3, when the In composition x2 of the
And more preferably, by satisfying the relationship (straight line A in FIG. 3)
By satisfying this relationship, it was shown that the crystal quality of the
また、本実施形態のように、III族窒化物半導体レーザダイオード11は、第2光ガイド層23を層厚方向に二分割するように設けられた電子ブロック層27を備えることが好ましい。そして、電子ブロック層27と活性層17との間隔は、50[nm]以上であることが好ましい。
Further, as in the present embodiment, the group III nitride
III族窒化物半導体レーザダイオード11において、III族窒化物基板13の主面13aは半極性面である。そして、半極性面上(特にピエゾ電界が負である半極性面上)に形成されたレーザダイオード構造では、活性層と電子ブロック層との間の伝導体の実効的なバンドオフセットが大きくなるため、電子がp型半導体側に漏れにくい。したがって、電子ブロック層27と活性層17との間隔を、c面上や非極性面(m面)上の場合では困難な50[nm]以上と広くすることが可能である。これにより、電子ブロック層27が活性層17に歪みを与えることに起因する発光特性の低下を防ぐことができる。また、電子ブロック層27と活性層17との間隔を50[nm]以上と広くすることにより、n型半導体側への電界分布のシフトを防ぎ、発振閾値を効果的に低減できる。
In group III nitride
また、本実施形態のように、III族窒化物基板13の主面はInSAlTGa1−S−TN結晶のm軸方向に傾斜していることが好ましい。これにより、光ガイド層21,23及び活性層17を成長させる際のInの採り込み効率が高まり、その結果、良好な発光特性を得ることができる。
Further, as in the present embodiment, the main surface of the group
(第2の実施の形態)
続いて、本発明の第2実施形態に係るIII族窒化物半導体レーザダイオードについて説明する。図4は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体レーザダイオード12の構造を概略的に示す図面である。このIII族窒化物半導体レーザダイオード12も、第1実施形態と同様に480[nm]以上550[nm]以下の波長のレーザ光を出力するゲインガイド型のものである。
(Second Embodiment)
Subsequently, a group III nitride semiconductor laser diode according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a drawing schematically showing the structure of the group III nitride
III族窒化物半導体レーザダイオード12は、III族窒化物基板13と、III族窒化物基板13上に設けられたn型クラッド層(第1クラッド層)15と、n型クラッド層15上に設けられた活性層17と、活性層17上に設けられたp型クラッド層(第2クラッド層)19とを備える。また、III族窒化物半導体レーザダイオード12は、n型クラッド層15と活性層17との間に、第1光ガイド層21を備える。III族窒化物基板13、n型クラッド層15、活性層17、p型クラッド層19、及び第1光ガイド層21の構成は第1実施形態と同様なので、これらの詳細な説明を省略する。また、III族窒化物半導体レーザダイオード12は、p型クラッド層19上に設けられたp型コンタクト層41を備え、アノード電極45aが絶縁膜47の開口を介してp型コンタクト層41に接触しており、III族窒化物基板13の裏面13bにカソード電極45bが接触している点でも、第1実施形態と同様である。
The group III nitride
本実施形態のIII族窒化物半導体レーザダイオード12は、活性層17とp型クラッド層19との間に、第2光ガイド層25を備える。第2光ガイド層25は、III族窒化物基板13に光を逃がすことなく活性層17付近に光を閉じ込め、しきい値電流を低減する為に設けられる。
The group III nitride
第2光ガイド層25は、Inx1Ga1−x1N(0≦x1<1)からなる第1の層35と、Inx2Ga1−x2N(x1<x2<1)からなる第2の層39とを含むことができる。第1の層35は活性層17上に設けられ、第2の層39は活性層17と第1の層35との間に設けられる。なお、第2の層39のIn組成x2は、第1の層35のIn組成x1より大きく、活性層17内のInGaN井戸層のIn組成より小さい。一実施例では、第1の層35はp型GaNからなり、第2の層39はアンドープInGaNからなる。
The second
第1の層35と第2の層39との合計厚さは、安定した発振モードを得る為に0.1[μm]より大きく設定され、また、光閉じ込め係数(Γwell)を高めてレーザ発振を好適に実現する為に、0.5[μm]より小さく設定される。
The total thickness of the
また、第2の層39のIn組成x2は、0.01≦x2≦0.1を満たすことが好ましい。In組成x2が0.01以上であることによって十分な屈折率を確保し、光閉じ込め係数(Γwell)を高めレーザ発振を好適に実現できる。また、In組成が0.1以下であることによって活性層17の結晶品質を高く維持し、発光効率を向上させ得る。
The In composition x2 of the
III族窒化物半導体レーザダイオード12は、電子ブロック層29を更に備える。電子ブロック層29は、第2光ガイド層25を層厚方向に二分割するように設けられており、本実施形態では、第1の層35と第2の層39との間に設けられている。電子ブロック層29は例えばAlzGa1−zN(0<z<1)からなることができ、このAlzGa1−zNのAl組成zはp型クラッド層19のAl組成より大きい。また、電子ブロック層29と活性層17との間隔(本実施形態では第2の層39の厚さ)は、50[nm]以上であることが好ましい。
The group III nitride
好適な実施例について第1実施形態と相違する点を示すと、第1光ガイド層21の第2の層33の厚さは65[nm]であり、In組成x2は0.03である。第2光ガイド層25の第2の層39の厚さは65[nm]であり、In組成x2は0.03である。この実施例の場合、発振波長は520[nm]である。
The difference between the preferred embodiment and the first embodiment is that the thickness of the
本実施形態のIII族窒化物半導体レーザダイオード12においては、第1光ガイド層21が第1の層31及び第2の層33を含んでおり、第2光ガイド層25が第1の層35及び第2の層39を含んでいる。そして、活性層17側に位置する第2の層33,39のIn組成x2は、第1の層31,35のIn組成x1より高くなっている。これにより、活性層17付近ではIn組成が高い第2の層33,39によって光の閉じ込め作用を強め、且つ、In組成が低い第1の層31,35によって活性層17の結晶品質の低下を抑制しつつ光ガイド層21,23の厚みを増すことができる。したがって、厚さが0.1[μm]より大きい光ガイド層21,23によって安定した発振モードを得ることができる。また、半極性面の主面を有するIII族窒化物基板13を用いる場合には、この効果が特に顕著となる。
In the group III nitride
なお、本実施形態においても、n型クラッド層15と活性層17との間に第1光ガイド層21が設けられ、且つ活性層17とp型クラッド層19との間に第2光ガイド層25が設けられているが、n型クラッド層15と活性層17との間及び活性層17とp型クラッド層19との間のうちいずれか一方にのみ光ガイド層が設けられた場合であっても、上記効果を奏することができる。
Also in this embodiment, the first
ここで、光ガイド層21,23の第2の層33,39の厚さを一定(65[nm])とし、第1の層31,35の厚さを変化させることにより、光ガイド層21,25の厚さを変化させて光閉じ込め係数Γwellを算出した結果について説明する。図5は、その結果を示すグラフであり、縦軸は光閉じ込め係数Γwell[%]を示しており、横軸は光ガイド層21,25の厚さ[nm]を示している。また、図中にプロットした点は計算により求めた光閉じ込め係数Γwellの値を示しており、曲線Bはその近似曲線を示している。このIII族窒化物半導体レーザダイオード12の発振波長は520[nm]である。
Here, the thickness of the
図5に示すように、光ガイド層21,25の厚さが厚くなるに従い、光閉じ込め係数Γwellは低下する。また、光ガイド層21,25の厚さが0.1[μm]以下である場合、光閉じ込め係数Γwellは高いが、III族窒化物基板13に光が漏れ、安定した発振モードを得ることができない。一方、光ガイド層21,25の厚さが0.5[μm]以上である場合、光閉じ込め係数Γwellが2[%]を下回ってしまい、良好なレーザ発振を得ることが難しくなる。このことから、光ガイド層21,25の厚さは、0.1[μm]より大きく0.5[μm]より小さいことが好ましいことがわかる。
As shown in FIG. 5, the optical confinement coefficient Γwell decreases as the thickness of the light guide layers 21 and 25 increases. When the thickness of the light guide layers 21 and 25 is 0.1 [μm] or less, the light confinement coefficient Γwell is high, but light leaks to the group
また、図6〜図8は、上述のようにして光ガイド層21,25の厚さを変化させ、また発振波長を変化させた場合における、導波光の分布を示すグラフである。図6〜図8において、縦軸は光強度を示している。横軸は、III族窒化物半導体レーザダイオード12の厚さ方向位置を示しており、区間C1は光導波層(光ガイド層21,25及び活性層17)の範囲を示しており、区間C2はIII族窒化物基板13の範囲を示している。図6(a)〜図6(c)は、光導波層の厚さが390[nm]の場合を示しており、図7(a)〜図7(c)は、光導波層の厚さが490[nm]の場合を示しており、図8(a)〜図8(c)は、光導波層の厚さが590[nm]の場合を示している。また、図6(a)、図7(a)及び図8(a)は、発振波長が480[nm]である場合を示しており、図6(b)、図7(b)及び図8(b)は、発振波長が500[nm]である場合を示しており、図6(c)、図7(c)及び図8(c)は、発振波長が520[nm]である場合を示している。
6 to 8 are graphs showing the distribution of the guided light when the thickness of the light guide layers 21 and 25 is changed and the oscillation wavelength is changed as described above. 6 to 8, the vertical axis indicates the light intensity. The horizontal axis indicates the position in the thickness direction of the group III nitride
光導波層の厚さが390[nm]と比較的薄い場合、発振波長が500[nm]以上の長波長になると、図6(b)及び図6(c)に示すように光導波層内に光が閉じ込められず、III族窒化物基板13(区間C2)において発振モードが安定化してしまうが、発振波長480[nm]では図6(a)に示すように光導波層内(区間C1)に光を効果的に閉じ込めることができる。なお、このときの光閉じ込め係数Γwellは3.10であった。 When the thickness of the optical waveguide layer is 390 [nm] and relatively thin, when the oscillation wavelength becomes a long wavelength of 500 [nm] or longer, as shown in FIG. 6B and FIG. The light is not confined in the light source and the oscillation mode is stabilized in the group III nitride substrate 13 (section C2). However, at an oscillation wavelength of 480 [nm], as shown in FIG. ) Can effectively confine light. At this time, the optical confinement coefficient Γwell was 3.10.
また、光導波層の厚さが490[nm]である場合、発振波長が520[nm]以上になると、図7(c)に示すようにIII族窒化物基板13(区間C2)において発振モードが安定化してしまうが、発振波長500[nm]以下では図7(a)及び図7(b)に示すように光導波層内(区間C1)に光を効果的に閉じ込めることができる。なお、このときの光閉じ込め係数Γwellは、2.94(波長480[nm])及び2.74(波長500[nm])であった。 Further, when the thickness of the optical waveguide layer is 490 [nm], when the oscillation wavelength is 520 [nm] or more, the oscillation mode is generated in the group III nitride substrate 13 (section C2) as shown in FIG. However, when the oscillation wavelength is 500 [nm] or less, the light can be effectively confined in the optical waveguide layer (section C1) as shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b). The optical confinement coefficient Γwell at this time was 2.94 (wavelength 480 [nm]) and 2.74 (wavelength 500 [nm]).
また、光導波層の厚さが590[nm]である場合、発振波長480[nm]〜520[nm]の範囲において、図8(a)ないし図8(c)に示すように光導波層内(区間C1)に光を効果的に閉じ込めることができる。なお、このときの光閉じ込め係数Γwellは、2.82(波長480[nm])、及び2.62(波長500[nm])、及び2.45(波長480[nm])であった。 Further, when the thickness of the optical waveguide layer is 590 [nm], the optical waveguide layer is used in the oscillation wavelength range of 480 [nm] to 520 [nm] as shown in FIGS. 8 (a) to 8 (c). Light can be effectively confined inside (section C1). At this time, the optical confinement coefficient Γwell was 2.82 (wavelength 480 [nm]), 2.62 (wavelength 500 [nm]), and 2.45 (wavelength 480 [nm]).
以上の結果から、発振波長が長くなる程、光導波層から光が漏れてIII族窒化物基板13において発振モードが安定化し易くなる傾向があり、また、このような現象に対し、光導波層(光ガイド層21,25及び活性層17)を厚くすることによって光導波層内において発振モードを安定化し易くできることが明らかとなった。
From the above results, as the oscillation wavelength becomes longer, light leaks from the optical waveguide layer and the oscillation mode tends to be stabilized in the group
11,12…III族窒化物半導体レーザダイオード、13…III族窒化物基板、15…n型クラッド層、17…活性層、17a…井戸層、17b…中間層、17c…障壁層、19…p型クラッド層、21…第1光ガイド層、23,25…第2光ガイド層、27,29…電子ブロック層、31,35…第1の層、33,37,39…第2の層、37a…下層部分、37b…上層部分、41…p型コンタクト層、45a…アノード電極、45b…カソード電極、47…絶縁膜、ALPHA…傾斜角、Cx…c軸、NV…法線ベクトル、Nx…法線軸、Rx…基準平面、VC…c軸ベクトル。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
半極性の主面を有するIII族窒化物基板と、
前記III族窒化物基板上に設けられ、Alを含むIII族窒化物からなる第1導電型の第1クラッド層と、
前記第1クラッド層上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられ、Alを含むIII族窒化物からなる第2導電型の第2クラッド層と、
前記第1クラッド層と前記活性層との間、及び前記第2クラッド層と前記活性層との間のうち少なくとも一方に設けられた光ガイド層と
を備え、
前記光ガイド層が、
Inx1Ga1−x1N(0≦x1<1)からなる第1の層と、
前記第1の層と前記活性層との間に設けられ、Inx2Ga1−x2N(x1<x2<1)からなる第2の層と
を含み、
前記第1及び第2の層の合計厚さが0.1[μm]より大きいことを特徴とする、III族窒化物半導体レーザダイオード。 A group III nitride semiconductor laser diode that outputs laser light having a wavelength of 480 [nm] or more and 550 [nm] or less,
A group III nitride substrate having a semipolar principal surface;
A first conductivity type first cladding layer provided on the group III nitride substrate and made of group III nitride containing Al; and
An active layer provided on the first cladding layer;
A second cladding layer of a second conductivity type provided on the active layer and made of a group III nitride containing Al; and
A light guide layer provided between at least one of the first clad layer and the active layer and between the second clad layer and the active layer;
The light guide layer is
A first layer made of In x1 Ga 1-x1 N (0 ≦ x1 <1);
A second layer provided between the first layer and the active layer and made of In x2 Ga 1-x2 N (x1 <x2 <1);
A group III nitride semiconductor laser diode, wherein a total thickness of the first and second layers is greater than 0.1 [μm].
前記第2クラッド層と前記活性層との間に設けられた前記光ガイド層を層厚方向に二分割するように設けられた電子ブロック層を更に備えることを特徴とする、請求項1に記載のIII族窒化物半導体レーザダイオード。 The light guide layer is provided at least between the second cladding layer and the active layer;
The electron blocking layer provided to divide the light guide layer provided between the second cladding layer and the active layer into two in the layer thickness direction, further comprising: Group III nitride semiconductor laser diode.
の関係を満たすことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体レーザダイオード。 The thickness d2 [nm] of the second layer is
The group III nitride semiconductor laser diode according to claim 1, wherein the following relationship is satisfied.
前記III族窒化物基板の前記主面が、該InSAlTGa1−S−TN結晶の{0001}面または{000−1}面を基準として10度以上90度未満の範囲の角度で傾斜していることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体レーザダイオード。 The group III nitride substrate is composed of In S Al T Ga 1-S -T N (0 ≦ S ≦ 1,0 ≦ T ≦ 1,0 ≦ S + T ≦ 1),
The primary surface of the group III nitride substrate, the angle of the In S Al T Ga 1-S -T N {0001} plane or the {000-1} range of less than 10 degrees than 90 degrees the surface as a reference crystal The group III nitride semiconductor laser diode according to claim 1, wherein the group III nitride semiconductor laser diode is inclined at
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